LA RELACION COLUMNA TOTAL DE OZONO CON LA TROPOPAUSA SOBRE... ARGENTINA: VARIABILIDAD Y CAMBIO

LA RELACION COLUMNA TOTAL DE OZONO CON LA TROPOPAUSA SOBRE LA REPÚBLICA
ARGENTINA: VARIABILIDAD Y CAMBIO
Yuchechen, Adrián Enrique (1)
([email protected])
Bischoff, Susana Amalia (2)
([email protected])
Canziani, Pablo Osvaldo (1)
([email protected])
(2)
(1) PEPACG, UCA/CONICET
Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, FCEyN, UBA
ABSTRACT
The purpose of the present work is to gain a better understanding of the coupling stratospheric
ozone/tropopause. It is found that there is a significant influence in the trends of the stratospheric ozone
concentration at midlatitudes due to changes in the tropopause height. Moreover, the cases of extreme
stratospheric ozone concentrations and mass exchange through the tropopause are related to the breaking
of it and this situation is linked to upper troposphere frontogenesis in the region of the polar jetstream.
RESUMEN
El propósito de este trabajo es avanzar aun más en el conocimiento de la relación entre ozono y
tropopausa. Teniendo ya un conocimiento básico del comportamiento de la tropopausa en estas tres
estaciones de radiosondeo, en esta fase se lleva a cabo el estudio de la relación entre el ozono
estratosférico y la altura de la tropopausa. Se notó una significativa influencia en las tendencias de ozono de
latitudes medias con los cambios en la altura de la tropopausa. Asimismo, los casos de concentraciones
extremas de ozono estratosférico y de intercambio de masa a través de la tropopausa están asociados a la
ruptura de la tropopausa, que se encuentra estrechamente vinculada con frontogénesis en la troposfera
superior en la región de la Corriente en chorro polar.
1– OBJETIVO
La motivación de este trabajo es establecer un nexo entre la variabilidad en la altura de la
tropopausa y los sistemas de tiempo asociados en la troposfera con la variabilidad de la concentración de
ozono estratosférico en latitudes medias y altas.
2 – INTRODUCCION
La tropopausa es una zona de transición en la atmósfera a través de la cual se establece el
intercambio de propiedades físicas y químicas entre la estratosfera y la troposfera. A su vez, la altura de la
tropopausa está relacionada con la concentración de ozono estratosférico según muestran algunos
resultados preliminares obtenidos [Canziani et al., 2002], aunque la relación física se encuentra lejos de ser
clara. Con el objeto de establecer el nexo entre cambio y variabilidad climática, la evolución de la capa de
ozono, su adelgazamiento en latitudes medias y altas, y su relación con la tropopausa, se ha realizado un
trabajo previo sobre el comportamiento de la tropopausa en tres estaciones de Argentina (Resistencia,
Ezeiza y Comodoro Rivadavia) [Yuchechen, 2004].
La tropopausa juega un rol importante en la evolución de la capa de ozono [Hoerling et al., 1991,
Steinbrecht et al., 1998], en los procesos de clima y cambio climático [Brasseur, 1997; Gaffen et al., 2000] y
el intercambio de gases de efecto invernadero [Shapiro, 1980, Wirth, 1995, Holton, 1990]. Se define como
tropopausa al «límite entre la troposfera y la estratosfera en el que el gradiente vertical de temperatura
experimenta un cambio brusco. Se define como el nivel más bajo a partir del cual el gradiente medio es de 2
°C km-1 o menos, siempre que el gradiente medio entre ese nivel y todos los niveles superiores situados a
menos de 2 km no exceda de 2 °C km -1. Puede hallarse ocasionalmente una segunda tropopausa si el
gradiente vertical por encima de la primera es de más de 2 °C km-1» [WMO, 1992].
3 – DATOS
UTILIZADOS
Y METODOLOGÍA
Los datos de ozono corresponden a las mediciones efectuadas por el satélite Earth Probe con el
sensor TOMS (Total Ozone Mass Espectrometer), para el período 25/7/1996–31/12/2003. Los datos fueron
obtenidos del TOMS Versión 7 a través de la página web http://toms.gsfc.nasa.gov/. Los datos de altura de
tropopausa fueron obtenidos a partir de radiosondeos efectuados en estaciones de la red aerológica
argentina por el Servicio Meteorológico Nacional (SMN). Se utilizaron para este estudio los datos de las
estaciones Resistencia (RES, φ = 27°27′, λ = 59°03′), Ezeiza (EZE, φ = 34°49′, λ = 58°32′) y Comodoro
Rivadavia (CRD, φ = 45°47′, λ = 67°30′). La base de datos de altura de tropopausa comprende el período
1968-1997 para CRD y RES, y el periodo 1970-1997 para EZE. Esta base datos fue utilizada anteriormente
para efectuar un estudio climatológico de altura, temperatura y presión de la tropopausa en las tres
estaciones argentinas mencionadas [Yuchechen, 2004]. Los campos utilizados para el análisis de
situaciones sinópticas fueron obtenidos de la base de campos diarios de reanálisis del NCEP/NCAR, a
través de la página http://www.cdc.noaa.gov/Composites/Day/. Estos campos fueron analizados por el
método de Análisis de Componentes Principales (PCA) en modo T a partir de la matriz de correlación como
matriz de entrada de los datos [Green et al., 1978; Richman, 1986]. En Richman [1986] puede encontrarse
el desarrollo matemático y las propiedades que fundamentan la aplicación de esta metodología.
La información de la concentración de ozono en cada una de las estaciones fue calculada por un promedio
pesado de los puntos de grilla más próximos a cada una de ellas.
4 – RESULTADOS
a) Distribuciones de ozono
Se calcularon las distribuciones de concentración de ozono en las tres estaciones. Para esto, se
dividió el mayor rango en diez intervalos iguales, con el fin de facilitar la comparación entre las estaciones y
los valores máximo y mínimo absolutos son 412.6 y 218 UD respectivamente. La estación CRD es la que
define este rango. La frecuencia es máxima en RES para las menores concentraciones de ozono. La
distribución en CRD es la menos asimétrica. La Figura 1 muestra las distribuciones de concentración de
ozono para las tres estaciones.
Distribución de concentración de O3
(Earth Probe, 1996-2003)
1200
Frecuencia
1000
800
CRD
EZE
RES
600
400
200
Figura 1 – Distribución de las
concentraciones de ozono para el
período 25/7/1996–31/12/2003
cubierto por el Earth Probe
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Intervalo de clase
b) Anomalías de altura de tropopausa y concentración de ozono
Tanto las anomalías de altura de tropopausa como de concentración de ozono se calcularon
respecto de la media mensual del período analizado (1978-1993). En la Figura 2 se observa que ambas
variables están correlacionadas negativamente, sugiriendo que cuando la altura de la tropopausa aumenta
(la presión disminuye) se encuentra presente un sistema de alta presión en la troposfera y la concentración
de ozono disminuye. Cuando la altura de la tropopausa disminuye está asociada a la presencia de un
sistema de baja presión en la troposfera y se invierte la relación con la concentración del ozono. Desde el
punto de vista de los sistemas sinópticos el paso de un sistema de alta (baja) presión se ve reflejado en un
aumento (disminución) de la altura de la tropopausa, disminución (aumento) de la presión de la tropopausa
y disminución (aumento) de la concentración de ozono.
Altura de Tropopausa - C oncentración de Ozono
C orrelación de Anomalías
0
-0,1
-0,2
Correlación
-0,3
-0,4
C RD
EZE
RES
-0,5
-0,6
Figura 2 – Correlación
entre anomalías de altura
de tropopausa y anomalías
de concentración de ozono
-0,7
-0,8
-0,9
-1
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93
Año
c) Variación de la concentración de ozono en 24 horas
A los datos de concentración de ozono se les aplicó la metodología de clasificación por quintiles y
se calcularon las variaciones extremas en la concentración entre dos días consecutivos (saltos entre
quintiles extremos). Se definió como variación extrema el pasaje del primer quintil al cuarto en la
concentración del ozono. Esta metodología fue aplicada a las tres estaciones. Los rangos para cada una de
ellas se muestran en la Tabla I.
Estación
CRD
RES
EZE
Primer Quintil
218 – 274
219 – 268
232 – 262
Cuarto Quintil
308 – 330
293 – 311
281– 293
Tabla I – Rango de los quintiles primero y cuarto para las tres estaciones
A manera de ejemplo se efectuó la composición de los campos de circulación en 500 y 1000 hPa,
correspondientes a los días 24, 25 y 26 de mayo de 2001 y 17, 18 y 19 de abril de 2002 en los cuales la
concentración del ozono pasó del primer al cuarto quintil sobre CRD. Los días 24/5/2001 y 17/4/2002 se
identificaron como el Día 0 (el cambio de concentración ocurre en algún momento entre este día y el
siguiente) y los días subsiguientes se identificaron como Día 1 y Día 2. La Figura 3 muestra las situaciones
sinópticas para los Días 0, 1 y 2 en 500 y 1000 hPa. El aumento en la concentración de ozono está
asociado al pasaje de una vaguada sobre la estación considerada.
500 hPa / Día 0
1000 hPa / Día 0
Figura 3 – Situación sinóptica para el Día 0 en 500 hPa
(izquierda) y 1000 hPa (derecha) para la composición de los
casos descriptos en el texto
500 hPa / Día 1
1000 hPa / Día 1
500 hPa / Día 2
1000 hPa / Día 2
Figura 3 (continuación) – Situación sinóptica para los Días 1
y en 500 hPa (izquierda) y 1000 hPa (derecha) para la
composición de los casos descriptos en el texto
d) Análisis por componentes principales
En el periodo de análisis cubierto por los datos del Earth Probe (25/7/1996–31/12/2003) se tomaron los 21
casos de salto interdiurno con la condición mencionada más arriba y se hizo un análisis por componentes
principales de los campos de circulación en 500 hPa. Las estructuras de las componentes para los Días 0 y
1 en forma independiente se muestran en las Figura 4. La componente mostrada para ambos días es la
primera y con ella se explica más del 80% de la varianza. Sobre CRD se observa el pasaje de una
estructura de vaguada.
Figura 4 – Primera Componente Principal (PC)
para 500 hPa: Día 0 (izquierda) y Día 1 (derecha)
5 – CONCLUSIONES
Se notó una significativa influencia en las concentraciones de ozono de latitudes medias con los
cambios de altura de la tropopausa asociada al pasaje de sistemas de alta y baja presión. Los casos de
cambios interdiurnos de concentraciones extremas de ozono estratosférico, de menores a mayores
concentraciones, están asociados a la presencia de una situación de pasaje de una zona frontal. Esta
situación está asociada a la ruptura de tropopausa, dando lugar a la identificación de una tropopausa doble
en presencia de la corriente en Chorro Polar que genera procesos de intercambio de masa entre la baja
estratosfera y la troposfera.
6 – AGRADECIMIENTOS
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Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT): Proyecto PICT-99 7-06588
CONICET, Beca Doctoral, Becario: Adrián Yuchechen
Inter American Institute for Global Change Research (IAI): Proyecto ISP-3-076
Proyecto UBA X/095 programación 2004/2005
Servicio Meteorológico Nacional (SMN) por el aporte de los datos
7 – BIBLIOGRAFIA
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Brasseur, G., The Stratosphere and Its Role in the Climate System, NATO ASI Ser., vol. 54, Springer–
Verlag, New York, 1997
Canziani, P. O., Compagnucci, R. H., Bischoff, S. A., Legnani, W. E., A study of impacts of tropospheric
synoptic processes on the genesis and evolution of extreme total ozone anomalies over southern South
America, J. Geophys. Res., 107 (D24), 4741, doi:10.1029/2001JD000965, 2002
Gaffen, D., Santer, B., Boyle, J., Christiy, J., Graham, N., Ross, R.: Multidecadal changes in the vertical
temperature structure of the tropical troposphere, Science, 28, 1242-1245, 2000
Green, P., Analyzing Multivariate Data, The Dryden Press, Illinois, 519 pp., 1978
Hoerling, M. P., Schaak, T. D., Lenzen, A. J., Global objective tropopause analysis, Monthly Weather
Review, 119, 1816-1831, 1991
Holton, J. R., On the global exchange of mass between the stratosphere and troposphere. J. Atmos.
Sci., 47, 392-395, 1990
Richman, M. B., Rotation of principal components, Journal of Climatology, vol. 6, no. 3, 293-335,1986
Shapiro, M. A., Turbulent mixing within tropopause folds as a mechanism for the exchange of chemical
constituents between the Stratosphere and the Troposphere. J. Atmos. Sci., 37, 994-1004, 1980
Steinbrecht , W, H. Claude, U. Köhler, K. P. Hoinka, Correlations between tropopause height and total
ozone: implications for long term changes, Journal of Geophysical Research, 103, 19183-19192, 1998
Wirth, V., Diabatic heating in an axisymmetric cut-off cyclone and related stratosphere–troposphere
exchange, Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 121, 127-147, 1995
World Meterological Organization (WMO), INTERNATIONAL METEOROLOGICAL VOCABULARY,
Second edition, No. 182, Geneva, Switzerland, 1992
Yuchechen, Adrián E., “ASPECTOS CLIMÁTICOS DE LA TROPOPAUSA EN LATITUDES
EXTRATROPICALES SOBRE LA REPÚBLICA ARGENTINA”, Tesis de Licenciatura, 2004